Инженеры используют новую технологию для трехмерной печати «живой татуировки» с захватывающими перспективами

Кредит: Массачусетский технологический институт

Инженеры MIT разработали трехмерную технику печати, в которой используется новый вид чернил, изготовленных из генетически запрограммированных живых клеток.

Ячейки спроектированы для освещения в ответ на различные раздражители. При смешивании с суспензией гидрогеля и питательных веществ клетки могут быть напечатаны по слоям для формирования трехмерных интерактивных структур и устройств.

Затем команда продемонстрировала новую технологию, напечатав «живую татуировку» - тонкий прозрачный патч, узорчатый живыми бактериальными клетками в форме дерева. Каждая ветвь дерева облицована клетками, чувствительными к другому химическому или молекулярному соединению. Когда патч контактировал с кожей, соответствующие области дерева начинали светиться в ответ.

Исследователи во главе с Сюаньхэ Чжао, профессором по развитию компании Noyce в отделе машиностроения MIT и Тимоти Лу, доцентом биологической инженерии, электротехники и информатики, говорят, что их технология может быть использована для изготовления «активных» материалов для носимых датчиков и интерактивных дисплеев. Такие материалы могут быть структурированы живыми клетками, спроектированными для восприятия экологических химических веществ и загрязняющих веществ, а также изменения рН и температуры.

Более того, команда разработала модель для прогнозирования взаимодействия между ячейками в рамках данной трехмерной печатной структуры при различных условиях. Команда говорит, что исследователи могут использовать модель в качестве руководства при разработке гибких живых материалов.

Серьезная альтернатива

В последние годы ученые изучили разнообразные гибкие материалы в качестве основы для печатных красок. Например, ученые использовали чернила, изготовленные из термочувствительных полимеров, для печати объектов с изменением формы с учетом тепла. Другие печатали фотоактивированные структуры из полимеров, которые сжимаются и растягиваются в ответ на свет.

Команда исследователей, работающая с биоинженерами в лаборатории Лу, поняла, что живые клетки также могут быть использованы в качестве отзывчивых материалов для трехмерных печатных красок, особенно потому, что они могут быть генетически спроектированы для реагирования на различные стимулы, такие, как свет или температура. 

Ранее уже проводились эксперименты с 3-D типографией при помощи генной инженерии, ученые пытались сделать это с использованием живых клеток млекопитающих, но значимых результатов достигнуто не было.

Как выяснилось, эти клетки погибали во время процесса печати, потому что клетки млекопитающих являются слишком слабыми и легко разрываются.

Вместо этого команда нашла более жесткий тип клеток в бактериях. Бактериальные клетки имеют жесткие клеточные стенки, которые способны выдержать относительно суровые условия, такие как силы, прикладываемые к чернилам, когда они проталкиваются через сопло принтера. Кроме того, бактерии, в отличие от клеток млекопитающих, совместимы с большинством гидрогелей-гелеобразных материалов, которые изготовлены из смеси в основном воды и немного полимера. Группа обнаружила, что гидрогели могут обеспечить водную среду, которая может поддерживать живые бактерии.

                                   

Исследователи провели скрининг-тест, чтобы определить тип гидрогеля, который лучше всего будет принимать бактериальные клетки. После обширного поиска был обнаружен гидрогель с плюроновой кислотой как наиболее совместимый материал. Гидрогель также обладает идеальной консистенцией для трехмерной печати.

«Этот гидрогель имеет идеальные характеристики потока для печати через сопло», - говорит Чжао. «Это похоже на выдавливание зубной пасты. Вам нужно выдавливать чернила из сопла, как зубную пасту из тюбика, и эти чернила могут сохранять свою форму после процесса печати».

От татуировок до живых компьютеров

Исследователи представили бактериальные клетки, спроектированные для освещения в ответ на различные химические раздражители. Затем они придумали рецепт для создания своих трехмерных чернил, используя комбинацию бактерий, гидрогелей и питательных веществ для поддержания функциональности клеток.

Ученые обнаружили, что эта новая формула чернил работает очень хорошо и может печатать с высоким разрешением около 30 микрометров на каждый элемент. Также существует возможность печатать относительно крупномасштабные структуры размером в несколько сантиметров.

Исследователи наносили чернила с помощью специального 3D-принтера в сочетании с приспособлениями, которые они сами разработали. Чтобы продемонстрировать технику, команда напечатала образец гидрогелем с элементами в форме дерева на эластомерном слое. После печати они подвергли патч ультрафиолетовому излучению, в результате чего он затвердел. Затем они прилепили прозрачный эластомер с нанесенным живыми чернилами патчем к коже.

Чтобы протестировать патч, исследователи нанесли несколько химических соединений на тыльную сторону кисти испытуемого, затем прижали патч гидрогеля поверх обнаженной кожи. В течение нескольких часов, ветви патч дерева загорелись, когда бактерии почувствовали соответствующие химические стимулы.

Исследователи также создали бактерии для общения друг с другом; например, они запрограммировали некоторые ячейки для освещения только тогда, когда они получают определенный сигнал из другой ячейки. Чтобы протестировать этот тип связи в трехмерной структуре, они напечатали тонкий лист гидрогелевых нитей с «входными» или генерирующими сигнал бактериями и химическими веществами, наложенными другим слоем нитей «выхода» или приема сигнала бактерии. Они обнаружили, что выходные волокна освещены только тогда, когда они перекрывают и получают входные сигналы от соответствующих бактерий.

Ученые говорят, что в будущем исследователи смогут использовать полученную технологию для печати «живых компьютеров» -структур с несколькими типами ячеек, которые общаются друг с другом, передавая сигналы туда и обратно, подобно транзисторам на микрочипе.

"Это работа отдаленного будущего, но мы ожидаем, что сможем печатать живые вычислительные платформы, которые можно будет носить на себе".

Для применения в более краткосрочной перспективе исследователи планируют изготовить индивидуальные датчики в виде гибких патчей и наклеек, которые могут быть спроектированы для обнаружения различных химических и молекулярных соединений. Они также предполагают, что их техника может быть использована для изготовления капсул лекарственных средств и хирургических имплантатов, содержащих клетки, продуцирующие соединения, такие как глюкоза, с течением времени высвобождающиеся терапевтическим путем.

Подробней

технологиинаукаpskжизнь
296
1594.175 GOLOS
0
В избранное
lisak
Обо всём, что интересно
296
0

Зарегистрируйтесь, чтобы проголосовать за пост или написать комментарий

Авторы получают вознаграждение, когда пользователи голосуют за их посты. Голосующие читатели также получают вознаграждение за свои голоса.

Зарегистрироваться
Комментарии (3)
Сортировать по:
Сначала старые